哈雷对巨人背后人的物理学发展的贡献_哈雷论文

哈雷对巨人背后人的物理学发展的贡献_哈雷论文

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埃德蒙·哈雷(Edmond Halley),英国天文学家、数学家, 1656年11月8日出生于英国伦敦附近的一个富有家庭。1673年, 哈雷进入牛津大学王后学院学习。1676年,20岁的哈雷前往南大西洋的圣赫勒纳岛自费考察18个月,成功地测定了341颗南天恒星的位置, 制作了第一个南天星表。1678年,由于星表发表,他被选为英国皇家学会会员,并荣获牛津大学硕士学位。1684年,哈雷说服牛顿并出资全力促成了牛顿的《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)出版。1703年,哈雷被任命为牛津大学的几何学萨维连教授。1705年,他对彗星的研究成果公开发表。1720年,哈雷继格林尼治天文台创始人弗拉姆斯蒂德之后,成为第二任台长。此后,他一直坚持天文观测和研究,直到1742年1月14日,在格林尼治平静地离开人世。〔1〕

哈雷除了制作第一张详细准确的南天星表,还第一个提出“恒星不恒”和观测“金星凌日”的新方法。当然,真正使他名垂青史的重要成就是以他的名字命名的“哈雷彗星”。然而,从自然科学发展的角度看,哈雷的贡献远远超越了他所从事的天文学研究领域。因为,是他促使牛顿将20年前就已开始思考的引力问题最终成熟、完善;是他成就了《原理》,同时对《原理》极力宣传并给予实践验证。

1 哈雷与牛顿的《原理》

在1680年前后,行星运动问题一直困扰着当时最有才能的科学家。1683年,哈雷在研究开普勒第三定律的过程中,发现引起吸引作用的向心力与距离的平方成反比。但是,他却无法证明这一点。在1684年1 月的一天,当哈雷与胡克(Robert Hooke)和雷恩(Christopher Wren)三人聚会时,哈雷向两位年长的科学家提出了自己的问题。雷恩说自己也得出了平方反比的结论,但同样无法证明。而胡克则声称他可以用平方反比关系证明天体运动的所有定律,但要等别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来。于是雷恩提出,以两个月为限,谁能先提出论证,他愿意出40先令作为奖励。三个人就此作了约定。然而两个月过去了,谁也没能拿出证明。一直等到同年8月,哈雷赶到剑桥向牛顿请教。他问牛顿:“假定行星受到太阳的引力与其到太阳距离的平方成反比,行星该以怎样的曲线运动?”牛顿回答:“是椭圆”。哈雷十分惊喜,接着问牛顿:“你是怎么知道的?”牛顿回答:“我算出来的。”哈雷立刻问牛顿计算的方法。于是牛顿开始在抽屉里找他两年前的计算稿,却没有找到。但他答应重做一份给哈雷寄去。

同年11月,哈雷在伦敦收到了牛顿寄来的一份九页的论文,标题为《论轨道物体的运动》,看完这篇论文,哈雷以敏锐的科学头脑立刻意识到这将是天体力学的一场革命,便毫不迟疑地二访剑桥劝说牛顿公布其研究成果。同年12月10日,他向皇家学会报告了自己的工作。“哈雷先生通报说他最近在剑桥见到了牛顿先生,后者给他看了一篇奇妙的论文《论轨道物体的运动》,按哈雷先生的要求,该论文已蒙允送交皇家学会,一俟收到即正式登录。”〔2〕

在哈雷的劝说与鼓舞下,自1684年8月后,牛顿专心于《原理》的写作,将寄给哈雷的论文进一步扩充,到1685年11月,九页的论文已变成了两本专著。与此同时,哈雷经常往返于剑桥与伦敦之间,支持着牛顿的创作。1686年4月21日, 哈雷通告皇家学会,牛顿的专著可以付印了。然而此时,皇家学会经济上陷入困境,虽然牛顿的手稿十分重要,但已无力支付印刷的费用。5月19日, 抓住学会全会的时机,哈雷再一次提出了牛顿书稿的出版问题。这一次,得到了学会的明确指示:由哈雷负责《原理》的出版印刷事宜,经费由哈雷自己解决。哈雷虽出生富门,然而,自1684年父亲过世后,家中经济状况已日渐衰退,但是,哈雷仍义无反顾地自费承担了《原理》的出版工作。

就在这部伟大的著作写作、修改、出版之际,风波又起。胡克提出,关于引力的平方反比关系以及某些主要思想是他首先提出的,牛顿不应该把这些功劳抡去统统归为己有。二人就此发生激烈的争执,牛顿极为愤怒,不仅激烈地攻击胡克,而且写信给哈雷:第三卷我现在不打算发表了。哈雷没有想到牛顿会如此意气用事,他立刻写信给牛顿:“先生,我现在一定要再次请求您稍遏怒火,不要让我们失去第三卷……。”在哈雷的斡旋和劝慰下,牛顿的怒火平息了下来,中断的写作继续进行。牛顿还在文中三次表示了对胡克的感谢,并说明在“平方反比例”问题上,“我同雷恩、哈雷与胡克都各自得出了这一结果”。然而,不计较名利的哈雷一声不响地改动了排名次序,在出版的书中,胡克的名字排在哈雷之前。〔2〕

接下来的一年多时间,哈雷将全部精力投入到书稿的校对、印刷、出版等繁琐事务中。1687年7月5日,牛顿的《原理》用拉丁文初版问世。面对着这部32开、约500页,印刷精美的不朽巨著, 哈雷欣慰地答复牛顿:“尊敬的先生:我终于完成了您的书,希望您能高兴……。”〔2〕

对于哈雷的热忱支持和辛勒工作,牛顿在《原理》第一版所写的序言中做了答谢:“埃德蒙·哈雷先生是最机敏渊博的学者,他在本书出版中,不仅帮助我校正排版错误和制备几何插图,而且,正是由于他的推动本书才得以发表。因为他在得知我对天体轨道形状的证明之后,一直敦促我把它提交皇家学会。此后,在他们善意的鼓励和请求下,我才决定把它们发表出来。”〔3〕

2《原理》与哈雷彗星

《原理》问世了,哈雷将这部新书呈递给当时的英王詹姆斯二世,希望能得到国王的重视,他还想方设法给欧洲最有影响的哲学家送去了此书,以扩大书的影响。尽管哈雷预言:千秋万代将赞美这部著作。但是,《原理》一开始并没有得到热烈的反响。不少人甚至还抱着怀疑或是反对态度来看待牛顿提出的新理论。哈雷以自己的研究继续着对《原理》的支持。

早在1682年,哈雷在访问巴黎天文台时,恰好遇上了那年的大彗星,他与台长卡西尼一道观测了这颗彗星,并计算了彗星接近太阳时的轨道,从此,他对这颗彗星一直念念不忘。《原理》出版后,牛顿在书中提出的彗星也服从万有引力定律的观点使哈雷感悟到:如果彗星是在一个以太阳为焦点的椭圆轨道上运行,那么,有朝一日它还会转回到太阳附近,地球上的人们可以再次看到它,基于这个想法,哈雷应用《原理》中的天体力学理论开始了彗星运动的计算和研究。他首先计算出1337年到1698年间出现的24颗彗星的轨道。经过反复的对照、查证和计算,发现出现于1531、1607年的彗星与他1682年所观测的彗星应是同一颗,周期是75年。继续向前查证,又发现了一颗记载于1456年出现的彗星,其描述与前面的彗星相似,相隔周期也是75年!

查证的结果令哈雷兴奋,经过坚持不懈地观测和精密计算,1705年哈雷发表了《彗星天文学论说》一书,详细阐述了自己十几年来对彗星研究的结果,同时大胆预言,1682年出现的那颗彗星一定会再次回来,回归的日期在1758年底到1759年初,时间间隔是76年。并且指出,根据牛顿在《原理》中提到的天体“摄动”理论,这次回归的时间间隔稍长的原因是彗星在接近木星时会受到“摄动”影响。在《原理》第三版序中,牛顿首肯了哈雷的研究,他说:“哈雷博士比以前更精确地计算了该彗星的椭圆轨道,沿此轨道,彗星穿越天穹九宫,其精确性与行星在天文学给出的椭圆上运行并无二致。”〔3〕

76年的周期太长了,哈雷守望着天空,想象着这颗彗星在漫漫长途中沿着他计算的轨道孤独而行,他只希望,如果这颗彗星能如他所预言的那样再次出现,后世人应当承认,这是一个英国人首先发现的。1742年1月14日,在格林尼治天文台,面对着星空, 哈雷平静地离开了人世。而此刻,他的彗星,正穿越茫茫太空,匆匆赶来。1758年岁末,在哈雷去世后的第16年,一颗拖着美丽长尾的彗星跃上昏黄的夜空,哈雷的预言实现了!世界各地的人们都仰视了这一天文奇观,人们不仅承认这是由一个英国人首先发现的,而且慷慨地称它为——哈雷彗星!

牛顿的理论得到验证,《原理》的正确性经受了实践的考验。哈雷不仅在生前促成了《原理》的问世,在他身后,他的科学预言又带给了《原理》无尚的荣耀。不仅1758年,在以后的漫长岁月中,1835 年、 1910年、1986年,哈雷彗星都如期地回归过地球,科学的预言一次又一次地证实了《原理》理论的正确!历史和实践给了牛顿和《原理》崇高的评价,但是在巨人的背后,哈雷的名字将永远与《原理》联系在一起。哈雷以他杰出的才学和高尚的人品,以他的热情、真诚、无私、宽容和谦逊,为物理学的发展作出了重要贡献。

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